Исследование и разработка энергетических методов повышения эффективности шахтных установок главного проветривания (УГП) с центробежными вентиляторами

Актуальность проблемы. Постановлением ХХУ1 съезда Коммунистической партии Советского Союза по проекту ЩС КПСС «Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года» .предусмотрено довести добычу угля в 1985 году до 770−800 млн, тонн, обеспечив прирост в основном за счет повышения производительности труда при постоянном улучшении его условий и техники безопасности*.

Успехи всего народного хозяйства во многом зависят от повышения эффективности добывающей промышленности, в связи с чем развитие горно-шахтного машиностроения в настоящее время направлено по пути ускоренного создания и выпуска более производительных машин, позволяющих обеспечить максимальное сбережение энергетических ресурсов, в том числе для энергоемких вспомогательных технологических процессов, включая и вентиляцию, как основной элемент обеспечения безопасных санитарно-гигиенических условий труда в шахтах.

Б настоящее время на каждую тонну добытого угля по вентиляционной системе подается от 5 до 10 тонн воздуха, в результате чего ежегодно только центробежные ЕГП, которых на шахтах Минутле-прома СССР насчитывается порядка тысячи установок, потребляют более 3 млрц. кВт.ч. электроэнергии.

Несмотря на то, что показатели технического уровня выпускаемых отечественной промышленностью шахтных центробежных ЕШ и создаваемых на их основе установок достаточно высоки, они отличаются сравнительно низкой эксплуатационной экономичностью. Так, их норматив удельного энергопотребления находится в пределах 1,32 — 1,35, в то время как фактическое удельное энергопотребление в среднем по Минуглепрому СССР составляет 1,68 (средний эксплуатационный статический к.п.д. 7]Срз = 0,59).

Следует заметить, что данный показатель имеет значительные колебания для различных регионов, так на шахтах Донецкого бассейна удельное энергопотребление равно 1,67 (Tjcp.3 =0,6) /71/, а на шахтах Кузбасса более 2,13 {Tjcp.3 = 0,47) /60/. Анализ приведенных данных показывает, что потери в установках находятся в пределах 40−53 $ потребляемой ими энергии. Основная причина указанного заключается в сравнительно низких адаптивных свойствах установок, резком снижении экономичности по мере отклонения режима работы от оптимального.

Учитывая тот факт, что шахтные УГП с центробежными вентиляторами являются потребителями значительного количества электроэнергии, а более 40 $ ее расходуется непроизводительно, становится очевидным, что задача повышения их эффективности энергопотребления является важной народнохозяйственной проблемой.

Цель работы. Создание метода проектирования аэродинамической схемы принципиально нового шахтного центробежного ЕГО с устройством струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса, отличающегося простотой конструктивного исполнения, обеспечивающего высокую эффективность энергопотребления создаваемыми на его основе УГП и тем самым возможность широкого их освоения в шахтном вентиляторостроении.

Идея работы. Повышение эффективности шахтных УШ с центробежными вентиляторами путем применения струйного управления пограничным слоем на лопатках рабочего колеса и их циркуляционным обтеканием для снижения потерь давления и расширения диапазона изменения аэродинамической нагруженности вентилятора.

Методы исследований. Анализ эффективности находящихся в эксплуатации шахтных УГП с центробежными вентиляторами выполнен по данным нормативно-технической документации, литературных источников, материалов ВНИИГМ им. М. М. Федорова, ДОНГИПРОУГЛЕМАШа, Артемовского машзавода и результатам экспериментальных исследований, проведенных автором на шахтах, с использованием методов математической статистики.

Теоретическое обоснование параметров управляющего потока, устройства для его подачи и метод аэродинамического расчета радиальной решетки профилей со струйным управлением циркуляцией разработаны с использованием основных положений прикладной аэродинамики, теории турбулентных струй и аэродинамической теории радиальной решетки профилей.

Для проведения экспериментальных исследований и обработки их результатов использованы методы корреляционного и регрессионного анализов, численные методы поиска экстремума функций Бокса-Уилсона и покоординатного спуска.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна. Уточнена зависимость угла раскрытия эквивалентного диффузора от геометрических параметров и режима работы вентилятора, отличающаяся тем, что в ней учтен угол рассогласования между лопатками и направлением потока, вызывающий возникновение местной диффу-зорности во входном участке межлопаточного канала, что позволяет точнее описать механизм образования потерь давления в рабочем колесе и определять параметры управляющего потока.

Получена качественная картина течения в межлопаточном канале рабочего колеса центробежного вентилятора при воздействии струи управляющего потока, позволившая обосновать процесс устранения отрывного вихреобразования в нем и механизм снижения потерь давления.

Предложен энергетический метод снижения потерь давления в проточной части центробежного вентилятора путем струйного управления пограничным слоем на лопатках рабочего колеса, установлена зависимость его аэродинамических параметров от режима управления, что дало возможность разработать метод расчета характеристик струи управляющего потока и геометрических параметров устройства для её подачи.

Предложен энергетический способ регулирования режима работы центробежного вентилятора путем струйного управления циркуляционным обтеканием лопаток рабочего колеса, разработан метод аэродинамического расчета круговой решётки профилей в виде логарифмических спиралей со струйным управлением циркуляцией.

Определены условия подобия течения в вентиляторе с устройством струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса, что позволило обоснованно выбирать определяющие факторы при проведении экспериментальных исследований и обработке их результатов.

Достоверность научных положений обоснована:

— построением аэродинамической теории центробежного вентилятора со струйным управлением обтеканием лопаток его рабочего колеса на основе наиболее эффективных современных математических методов расчета и обработки экспериментальных данных;

— хорошим совпадением результатов теоретических исследований с данными физических экспериментов;

— сравнительными испытаниями моделей вентиляторов, выполненных по аэродинамическим схемам, наиболее распространенным в настоящее время и спроектированных в соответствии с разработанным методом, а также результатами испытаний опытно-промышленного образца шахтного центробежного ВГП ВЦ-ПП в составе УТИ.

Стенд для аэродинамических испытаний имеет порог чувствительности, при котором погрешности приращений исследуемых показателей вентилятора с вероятностью 0,95 не превышают 10 $.

Значение работы. По данным эксплуатации УТЛ с центробежными вентиляторами на шахтах Минуглепрома СССР подтверждена возможность использования расчетного показателя удельного энергопотребления и глубины экономичного регулирования по давлению для оценки эффективности энергопотребления на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Предложена конструкция принципиально нового шахтного центробежного ВГП с управляемым обтеканием лопаток рабочего колеса.

Разработанные методы расчета струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса центробежного вентилятора дают возможность на стадии проектирования приближенно оценить параметры аэродинамической схемы с устройством для подачи управляющего потока. Проведенный комплекс экспериментальных исследований и обработка результатов позволили создать метод проектирования аэродинамической схемы центробежного вентилятора с устройством струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса. Предложенным методом произведен синтез аэродинамических схем Ц 35−15П, Ц 35−20П. На базе второй из указанных схем спроектирован и изготовлен шахтный центробежный вентилятор ВЦ-ПП, испытания которого в составе УТЛ подтвердили высокую эффективность снижения удельного энергопотребления и увеличения глубины экономичного регулирования по давлению за счет струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса.

Предложенная идея энергетического управления течением в рабочем колесе может быть использована для проведения исследований по повышению экономичности центробежных вентиляторов с пониженной.

— 10 удельной быстроходностью.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора внедрены на Артемовском машиностроительном заводе НПО «Урапгормаш» :

— разработаны техническое задание, рабочая конструкторская документация и изготовлен опытно-промышленный образец шахтного центробежного ВШ ВЦ-11П;

— проведены типовые промышленные испытания вентилятора ВЦ-11П в составе УТИ.

Алгоритм расчета параметров аэродинамической схемы центробежного вентилятора с устройством для подачи управляющего потока одобрен и принят к использованию в качестве рабочей методики НИПЖОРМАШем.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены: на научном семинаре лаборатории центробежных вентиляторов и ученом совете БНИИШ им. М. М. Федорова (г.Донецк, 1982;1984 г. г.), на научно-техническом совете НПО «Уралгормаш» (г.Свердловск, 1984 г.), на техническом совещании отдела турбомашин ДОНГИПРОУГЛЕМАШа (г.Донецк, 1984 г.), на научном семинаре кафедры «Горная механика» Свердловского горного института (г.Свердловск, 1983, 1984 г. г.), на техническом совещании сектора шахтных вентиляторов НШИГОРМАШа (г.Артемовский, 1983, 1984 г. г.), на производственно-техническом совете шахтоуправления «Егоршинс-кое» ПО 1ГВахрушевуголь" (п.Буланаш, 1982 г.), на научно-техническом совете Артемовского машзавода (г.Артемовский, 1982;1984 г. г.), на междуведомственном региональном совещании «Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах» (СО АН СССР, г. Новосибирск, 1981 г.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано три работы, получено три авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованных источников, включающего 104 наименования, и приложений. Содержание работы изложено на 207 страницах текста, включая 40 рисунков, 9 таблиц и 4 приложения.

Основные выводы по работе сводятся к следующему:

1. Объективным обоснованием целесообразности повышения эффективности шахтных УГП с центробежными вентиляторами путем снижения энергопотребления является их низкая эксплуатационная экономичность, обусловленная главным образом непроизводительными затратами электроэнергии.

2. Перспективным направлением повышения эффективности энергопотребления, расширения области экономичной работы УГП следует считать энергетические методы уцравления обтеканием лопаток рабочего колеса вентилятора, позволяющие существенно снижать потери давления в его проточной части и регулировать режим работы. В связи с этим предложена принципиально новая конструкция центробежного вентилятора с устройством струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса.

3. Для оценки потерь давления в межлопаточных каналах рабочего колеса по результатам исследования механизма их образования уточнена зависимость угла раскрытия эквивалентного диффузора от геометрических параметров и режима работы центробежного вентилятора. Установлено, что полученное соотношение отражает характер изменения потерь давления в колесе в зависимости от его рабочих параметров.

4. На базе теории турбулентных струй с использованием схемы отрывного обтекания получены уравнения, определяющие энергетические характеристики струи управляющего потока и геометрические параметры устройства для его подачи, обеспечивающего устранение отрывного вихреобразования в межлопаточных каналах рабочего колеса. Полученные зависимости дают возможность производить предварительный расчет коэффициентов расхода, давления и мощности управляющего потока, хорды, аэродинамической щели, к.п.д. предкрылка и площади расходного окна в зависимости от параметров аэродинамической схемы вентилятора и режима его работы.

5. Разработан метод аэродинамического расчета радиальной решетки профилей в виде логарифмических спиралей со струйным управлением циркуляцией, позволяющий оценивать влияние геометрических параметров и производить предварительный расчет регулируемости вентилятора управляющим потоком.

6. Учитывая высокую эффективность физического моделирования при исследовании аэродинамики центробежного вентилятора с управляемым обтеканием лопаток рабочего колеса, получены критерии подобия течения в нем.

7. С использованием статистического метода линейного планирования эксперимента построены уравнения, определяющие оптимальные значения энергетических характеристик струи управляющего потока в зависимости от геометрических параметров, подачи вентилятора. В качестве целевой функции принято приращение статического к.п.д. Экспериментальные значения характеристик управляющего потока хорошо согласуются с их теоретической оценкой, выведенной из условия устранения отрывного вихреобразования в межлопаточных каналах рабочего колеса вентилятора.

8. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан метод проектирования аэродинамической схемы шахтного центробежного ЕГП с устройством струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса, обладающего высокой эффективностью энергопотребления. С использованием данного метода исследована экономичность различных способов регулирования энергетических характеристик струи управляющего потока.

Испытания модели, выполненной по аэродинамической схеме Ц35−20П, разработанной в соответствии с указанным методом, подтвердили высокую эффективность снижения энергопотребления шахтными центробежными ЕГП путем струйного управления обтеканием лопаток. Неизменная геометрия устройства для подачи управляющей струи, т. е. отсутствие специальных элементов его регулирования, создает условия широкой практической реализации данного класса вентиляторов.

9. Разработано техническое задание, спроектирован и изготовлен опытно-промышленный образец шахтного центробежного ЕГП с устройством струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса ВЦ-ПП, типовые промышленные испытания которого в составе УГП подтвердили его высокие технико-экономические показатели. Удельное энергопотребление снижено в сравнении с наиболее совершенными аналогами на 5 процентов, а глубина экономичного регулирования по давлению увеличена на 12 процентов. Годовой экономический эффект от разработки и использования установки в народном хозяйстве составляет 116,5 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Одной из актуальных проблем шахтного вентиляторостроения является повышение эффективности УГП, главным образом в направлении снижения непроизводительного потребления ими электроэнергии.

Низкая экономичность шахтных УГП с центробежными вентиляторами, работающих в условиях переменных параметров вентиляционных сетей, в значительной мере обусловлена характером течения в их проточной части, особенно в межлопаточных каналах рабочего колеса, где происходит передача энергии воздушному потоку и возникает основная часть ее потерь. Совместное влияние вязкости воздуха, геометрических параметров межлопаточных каналов рабочего колеса и режима работы вентилятора определяет поверхностный слой Прандтля, в котором формируются потери давления. Разрушение данного слоя, возникновение зон отрывного вихреобразования при отклонении режима работы вентилятора от оптимального приводит к резкому снижению его статического к.п.д., что наиболее ощутимо для вентиляторов с загнутыми назад лопатками, имеющих сравнительно низкие значения коэффициентов давления.

Существующие конструкции центробежных вентиляторов не позволяют использовать энергетические методы управления характером обтекания лопаток рабочих колес для устранения отрыва пограничного слоя и регулирования режима их работы с целью повышения эффективности энергопотребления. Практическая реализация задачи снижения потерь давления в проточной части центробежного вентилятора и расширения области его экономичной работы стала возможной в разработанной конструкции вентилятора с устройством струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса.

Основное содержание диссертации включает исследование эффективности энергопотребления УГП с центробежными вентиляторами шахт Минутлепрома СССР, анализ закономерностей механизма образования потерь давления в их рабочих колесах, вывод уравнений, определяющих энергетические характеристики струи управляющего потока и геометрические параметры устройства для ее подачи, обеспечивающего устранение отрывного вихреобразования в межлопаточных каналах, разработку метода аэродинамического расчета радиальной решетки профилей в виде логарифмических спиралей со струйным управлением циркуляцией. Большое внимание уделено экспериментальным исследованиям и статистической обработке их результатов.

В соответствии с проведенными теоретическими исследованиями разработан метод проектирования аэродинамической схемы шахтного центробежного ВГП с устройством струйного управления обтеканием лопаток рабочего колеса.